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Engineering

空間的に閉じ込められた複合酸化物の作製

doi: 10.3791/50573 Published: July 1, 2013

Summary

我々は、パルスレーザー堆積(PLD)、フォトリソグラフィ及びマイクロメートルスケールの複合酸化物デバイスを作成するためのワイヤボンディング技術の使用を記載している。 PLDは、エピタキシャル薄膜を成長させるために利用される。フォトリソグラフィとワイヤボンディング技術は、測定目的のための実用的なデバイスを作成するために導入される。

Abstract

このような高いTcの超伝導体、マルチフェロイック、および巨大磁​​気抵抗などの複雑な材料は、その中に存在する固有の強い電子相関に起因する電子·磁気特性を持っている。これらの材料は、非常に異なる抵抗性及び磁気的挙動の領域が単結晶合金材料内に共存できる電子相分離を有することができる。電子ドメインの固有の大きさで、かつ下記長さスケールにこれらの材料の規模を低減することにより、新規な挙動を露出させることができる。そのためのこのとスピン電荷格子軌道秩序パラメータは、各空間輸送測定のため、これらの材料を減らし、相関長を伴うという事実は、複雑な動作を駆動する基本的な物理学を理解する上で重要なステップです。これらの材料はまた1-3電子機器の次の世代になるための大きな可能性を提供しています。従って、低次元の作製ナノまたは微細構造は、新しい機能を実現するために非常に重要である。これは、高品質薄膜成長から正確な電子物性の特性への複数の制御可能なプロセスが含まれます。ここでは、複合酸化マンガンデバイスのための高品質の微細構造の製造プロトコルを提示する。薄膜成長、フォトリソグラフィ、及びワイヤボンディングの詳細な説明と必要な機器が示されている。

Introduction

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第一及び高品位のデバイスに向かって最も重要な工程の一つは、エピタキシャル酸化物薄膜の成長である。単結晶基板をターゲット材料を堆積させるために "鋳型"として使用される。異なる堆積方法のうち、パルスレーザー堆積(PLD)は、4,5良い品質の薄膜を取得するための最良の方法の一つである。成長プロセスは、酸素環境下で約800℃まで基板を加熱し、ターゲット材料に衝突し、基板上に堆積される磁束を生成するためにレーザパルスを用い含む。典型的なシステムを図1に示されている。

パターン化されていないフィルムは、フィルムの寸法を低減し、エキゾチックな新しい物理6を明らかにするために示されているが、新しい現象やデバイス製造を探索するより多くの機会を提供します。フォトリソグラフィーは、1μmのオーダーまでの面内のサンプル寸法を縮小するために使用することができる。フォトリソグラフィープロセスの詳細なプロトコルは、意志以下に説明する。この手法は、異なるひずみ状態で開催されたエピタキシャル膜で閉じ込め効果の調査を可能にし、最も広く使われている基板と互換性があります。

多くの複合酸化物が低温および/または高磁場での興味深い特性を有することから、装置及び計測機器との間の電気接続は非常に重要である。高品質の接点は、4探針の幾何学的形状で、パッドと測定装置との間の接続を行うために、ワイヤボンダーを用いてAuのコンタクトパッドを蒸発させることによって形成することができる。正常に終了したら、これらの接続を容易4 K〜400 Kと±9 T.までの磁界範囲の広い温度範囲内で極端な測定環境に耐えることができる

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Protocol

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1。サンプル成長作製

  1. アセトン、その後10分ごとに、超音波洗浄器で水となたSrTiO 3やのLaAlO 3などのミスカット角<0.1度を有する5ミリメートル×5ミリメートル×0.5ミリメートル単結晶基板を清掃してください。 、30秒間10%フッ化水素に基板をエッチングSrTiO 3を上にTiO 2の終了を取得し、1100℃アニール続いて1分、℃で10時間、Cのために水の中で洗浄する。洗浄後、超高真空条件に適しヒーター基板上にマウントします。
  2. PLDの真空チャンバ内にヒーターを取り付け、2×10E-5 Torrの酸素と室を埋めるために、チャンバー酸素源を開きます。 800ヒータ温度を上昇させる°C、それは20分間アニールすることができます。温度はコンピュータ制御高温計や熱電対を使用して監視できます。
  3. 成膜を開始するには、1の1-2 J / cm 2とし、レーザ周波数のレーザフルエンスを使用して、エキシマレーザーパルス化を開始するまたは2 Hzの。レーザパルスは、ターゲット材料に衝突し、プルーム磁束を生成する。フラックスは、基板上に、酸素環境とデポジットを貫通する。
  4. 反射高エネルギー電子線回折(RHEED)は、単位細胞の増殖をモニターし、表面品質7を確認するために使用することができる。この手法は、非常に明確な厚さの監視が可能となります。
  5. フィルムは、所望の厚さである場合、レーザーをオフにして、5℃/分でヒーター温度を下げる。ヒータを室温まで冷却した後、酸素源をオフにしてサンプルを削除します。
  6. 域外アニールを成長した後、真空中で長期間後に存在していてもよい、酸素欠陥を除去するために、酸化物材料を用いることができる。酸素を流す1気圧の下でチューブ炉でサンプルを置きます。 20から温度を上げ°C〜700°C 5℃/分で、2〜20時間アニールした後、700°Cの温度を下げる°C 2℃/分。重要無TEはこれに悪影響表面品質に影響を与えることができ、負の結晶品質に影響を及ぼす可能性があるので、酸素空孔を充填する際に膜成長時に使用されるものより高い温度でポストアニールをしないようになる。

2。フォトリソグラフィ作製

  1. 超音波で10分間ずつアセトン、次に水でサンプルを清掃してください。光学顕微鏡は、試料表面が大きい粒子のクリーンであることを確認するために使用することができる。 (図2a)
  2. コー​​トを1ミクロンの厚さのフォトレジスト層をスピン。これらの数字は、使用される特定のレジストに依存しているものの、典型的な回転速度と持続時間は、6,000 rpmで、80秒程度です。フォトレジストを硬化させる2分間115℃の熱板上のサンプルを置きます。光学顕微鏡下でフォトレジストの品質をチェックします。コー​​ティングのない泡立ちと均一に表示されます。
  3. 被ばく線量と9秒間UV光で事前定義されたリソグラフィマスクの下にサンプルを公開するためにマスクアライナを使用約90 MJ / cm 2である。再度、これらの数字は、使用されるフ​​ォトレジストに固有になります。マスクで覆われているPRの一部は、そのプロパティを変更し、化学的な現像液に溶解することができるが、ポジ型フォトレジストを用いる場合には、マスクによって覆われたフォトレジストの一部は、その化学的性質を変更しない。 110で、フォトレジスト及びサンプルを加熱80℃のためのC秒さらに露光されたフォトレジストを硬化する。
  4. 25-35秒間現像液のサンプルを洗浄します。すぐにサンプルを取り出し、30秒間水で洗い流してください。ポジ型フォトレジストが使用される場合に覆われている部分が残るが、マスクによって覆われていないフォトレジストの部分が洗い流される。現像工程の期間が正確にフォトレジストの寸法及び品質(図2b)を制御することが重要であることに注意してください。
  5. 比率1:1:1ヨウ化カリウム、塩酸と水の溶液を準備します。 Tをすすぐためにプラスチック製のピンセットを使用して、約10秒間酸で、彼はサンプル。薄膜の保護されていない部分がエッチングで除去される。直ちに60秒間純水のサンプルをすすいでください。薄膜が完全にエッチングされたかどうかを確認するために光学顕微鏡で確認してください。そうでない場合は、エッチ酸を2〜3秒以上を追加して、すぐに純水で洗い流し、その後、光学顕微鏡と一緒に再度確認する。すべての保護されていない膜がエッチング除去されるまで、この手順を繰り返します。このプロセスは、エッチング液の強さと膜厚によって制御される。多くのマンガン酸化物の代表的なエッチング速度は、1〜4程度/上記の1時01分01秒ソリューション比秒です。
  6. 残ったフォトレジストを除去するために20秒間アセトンにサンプルを洗浄します。顕微鏡( 図2Cおよび2D)でサンプルの品質をチェックします。

3。ワイヤボンディング接続

  1. 接触に適し電線に開口領域を残すリソグラフィマスクを使用して上記の手順2.1から2.3を繰り返して、フォトマスクを使用したパッド。試料上に5nmのTiおよび100nmのAuのを蒸発させ、アセトンですすぎ。これは、フォトレジストを除去し、所望のコンタクトパッドジオメトリ( 図3a)を残す。
  2. サンプルパックの上にサンプルをマウントするために、GEのニスを使用してください。 15分で硬化することができます。
  3. ワイヤーボンダーのステージ上のサンプル位置を固定し、サンプルパックからのTi / Auの接点( 図3b)へのAl配線を接続するために、ワイヤボンダーを使用しています。その後、電気的測定を行う。

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Representative Results

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本論文では、試料調製のフォトリソグラフィおよびワイヤボンディング側面に主に焦点を当てています。膜成長手続きに関する詳細は、当社の他の最近の刊行物8に記載されています。

フォトリソグラフィは、電子相関長と電子相分離9-13を調査する目的で、複合酸化物中の次元を制御するための重要な方法である。 図2は、プロセス中のステップの部分の光学画像を示す。これは、すべてのこれらの手順のうち、時間が現像、エッチングの精密な制御が正常にデバイスを製造することが最も重要であることを指摘する必要がある。たとえば、現像時間よりもう一つは、未露光フォトレジストが洗い流される可能性があります。一方、酸エッチングのいくつ秒以上、 図4に示すように、酸化膜 ​​は、所望の構造体に損傷を与え、オーバーエッチングと完全に除去される可能性があります。 図3はすぐに測定サンプルを示しています。電圧および電流は、温度および磁界の幅広い電子測定の広い範囲のプロトタイプ装置に適用することができる。

図1
図1。パルスレーザー堆積(PLD)システムの概略図 。 KrFエキシマレーザーをターゲットプルームを生成するために使用される。ヒータは、試料温度を制御するために使用される。 O 3源は、バックグラウンド酸素圧を供給するために使用される。 RHEEDガン、カメラとパソコンは、成長ダイナミクスと表面構造を監視するために使用される。

図2
図2。なPhotolithography画像。)として成長した試料の光学像、明るい領域は、それらがヒータークランプの下に置くように成長中にフィルムなしで残っていた地域であり、色のわずかな不均一性は、基板の裏面に変色によって引き起こされていないフィルム不均一性の結果、サンプルの上に開発されたフォトレジストのb)の典型的なイメージ;酸エッチング後の試料のc)の典型的なイメージと、d)は 、単一のフィルムからエッチングデバイスのフルセットが6線幅に閉じ込め効果を測定することができます。

図3

図3)4 -プローブ輸送のための典型的な連絡先; b)は 、単一のデバイスの接続線BOワイヤーパッドから抵抗パックにnded。 より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください

図4
図4オーバーエッチングの影響のためにエッチングさ50nmの膜)15;。。。b)の 21秒およびc)25より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください

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Discussion

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Siなどの半導体材料の単一の要素とは異なり、複合材料の製造は、複雑な構造と複数の要素がすべて考慮しなければならないという事実によるより困難にすることができる。複合酸化物デバイスを製造するためのフォトリソグラフィーの使用は、他の閉じ込め技術とは対照的に、プロトタイプの比較的低コストかつ高速である。理解するが、いくつかの重要な制限があります。フォトリソグラフィは、約1ミクロンの構造を作成する空間的制限がとても真にナノスケールデバイスの製造には適していません持っています。また、重要な化学エッチングプロセスから生じるエッジラフネスが50nm程度とすることができるという事実である。

例えば、電子ビームリソグラフィ(EBL)及び集束イオンビーム(FIB)ミリングなどの他の技術は、フォトリソグラフィで可能なものよりもはるかに小さい構造を作成するために使用することができる。これらは、一般的に> 50 nmおよび> 20 nmの構造RESPに限定されているectively 14,15。これらの技術はまた、限界がある。 EBLので構造を開発するために数時間から数日かかることがあり、フォトリソグラフィよりもはるかに遅く、まだエッチングプロセスから生じるエッジラフネスになることがあります。 FIBミリングもフォトリソグラフィよりはるかに遅いと注入されたイオンから構造化学量論の変化を危険にさらすことを含む。また、FIBミリングを使用してエッチングされた材料の再堆積は、負デバイスに影響を与えることができる。化学的およびプラズマエッチング又はイオン衝撃の問題を克服するための可能な方向が完全に処理におけるそのステップを除去することである。ナノ構造の自己組織化成長は、このような粗さとイオン注入などの問題を回避するための有望な方法を提供しています。目標は、そのような制御可能ナノロッド、ナノピラー16,17などの化学量論、小さな構造を作製し、その特性を測定するために、異なる成長法を用いることである。しかし、これはまだ複合酸化物ではかなり若い技術であり、毛皮を必要としそれはすべての材料全体で定期的に使用するための実行可能になる前に熱が開発。

試料と機器との間の電気的接続は、異なる方法で達成することができる。ワイヤボンディング、インジウムおよび銀塗料以外は、しばしば電気的接続を作成するために使用される。ただし、両方のインジウム及び銀塗装方法は、このような大きな接触面積等の問題を抱えている(1 mm 2で程度)と酸化膜 ​​中の酸素欠陥を引き起こす可能性がある高温硬化(〜100℃)又は半田(> 200℃)を必要とすることができる。これにより、ワイヤボンディングは、大きな温度範囲および反復使用の下で安定である小さな接触面積(約100μm2)の利点を有する。

一連のメソッドは、薄いフィルムから小さな複合酸化物構造体の製造を可能にするここに提示した。これらのメソッドは、基礎物理学研究のために、新たな機能性のための探求の両方の強相関系の調査を可能にNDアプリケーション。

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Disclosures

利害の衝突は宣言されていない。

Acknowledgments

この努力は完全に米国DOE、基礎エネルギー科学、材料科学と工学部門のオフィスによってサポートされていました。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Reagent/Material
SrTiO3(001) & LaAlO3(100) substrates CrysTec GmbH
Microposit S1813 Photoresist Shipley
CD-26 Developer Shipley 38490
GE varnish Lakeshore VGE-7031
Equipment
Reflected High Energy Electron Diffraction (RHEED) Staib Instruments 35kV TorrRHEED
Mask Aligner ABM Model 85-3 (350W) Lightsource
Resistivity Puck Quantum Design P102
Wire Bonder Kulicke Soffa 04524-0XDA-000-00

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References

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空間的に閉じ込められた複合酸化物の作製
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Guo, H., Ward, T. Z. Fabrication of Spatially Confined Complex Oxides. J. Vis. Exp. (77), e50573, doi:10.3791/50573 (2013).More

Guo, H., Ward, T. Z. Fabrication of Spatially Confined Complex Oxides. J. Vis. Exp. (77), e50573, doi:10.3791/50573 (2013).

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